一种适用于流致振动试验的变阻尼装置的制作方法

本申请涉及流致振动试验装置，是一种通过改变系统励磁大小实现流致振动体系阻尼变化的阻尼调节装置。
背景技术：
：流致振动现象广泛存在于土木、交通、水利、海洋等领域中，其能量巨大，对结构物的破坏作用显著。当然，也由于其蕴含的能量巨大，近年来引起了众多学者对于将该类振动应用于发电工程领域的关注(如密歇根大学所提出的低速海流发电装置，VortexInducedVibrationForAquaticCleanEnergy，VIVACE)。典型的流致振动现象包括涡激振动与驰振。涡激振动主要是由漩涡脱落导致的，而驰振则是由于升力失稳导致的。上述现象的形成机制都很复杂，且存在显著差异，同时涡激振动又很容易成为驰振的诱发因素。由于流致振动问题的复杂性，多数情况下数值模拟不能有效、完整反应真实的振动响应、尾流特征及振动演化机理，故该类科学问题的有效研究及方法验证大多基于物理模型试验。在流致振动试验中，阻尼是非常重要的研究因素，直接关系到振动的振幅、锁定区间的大小、振动的形式特点等。因此，大多数流致振动试验都会对阻尼进行敏感性分析。不过，就目前而言阻尼的变化方式相对单一，主要是通过连接定励磁电机与电阻箱以实现阻尼变化，阻尼变化原理如下：式中：Ctotal——系统总阻尼；Cm——系统机械阻尼；α——系统转速比；R0——电机内阻；RL——外接负荷电阻；L——电机线圈长度；B——为磁感应强度。从公式(1)可得，对于定励磁的电机，α、L、B、R0保持不变；而对于固定的机械系统，系统的机械阻尼Cm为定值。因此，可通过改变外接负荷电阻RL实现对系统总阻尼Ctotal的调节。对于流致振动试验装置而言，振动在高阻尼条件下十分敏感，在低阻尼条件下不敏感。因此，为了更好的研究流致振动特性，需要保证系统处于高阻尼条件时具有较强可调性。然而，采用传统变电阻的方式，在高阻尼区电阻的微弱改变即会引起系统阻尼的较大变化，而这一变化对试验结果的精度和试验操作的灵活性都有较大影响。密歇根大学针对这一情况，自主研发了弹簧-阻尼-质量模拟器(Virtualdampingandstiffnesssystem,VCK)系统，通过模拟阻尼形式解决上述问题。但该装置的阻尼始终不是真实阻尼，试验结果的精度依赖于模拟阻尼的算法。在某些情况下，不能完整的反映系统的阻尼变化情况。因此，急需一种在高阻尼条件下，灵活调节系统阻尼的装置。技术实现要素：为此，本申请提出了一种变励磁变阻尼的相关装置，有效解决了在高阻尼条件下，系统阻尼调节灵活性的问题。目的本申请旨在提出一种适用于流致振动试验中，通过调节励磁改变系统阻尼的装置及方法。提高试验系统灵活性的同时提高了试验效率。技术方案一种适用于流致振动试验的变阻尼装置，由齿条、齿轮组、变励磁直流电机、电机输出线、外接负荷电阻、他励电源线、可调节直流电源组成，其中齿条固定在滑动架中部，齿条和齿轮组连接，齿轮组连接变励磁直流电机；变励磁直流电机通过电机输出线连接外接负荷电阻以及变励磁直流电机内阻形成回路，组成耗电系统，模拟阻尼；变励磁直流电机通过他励电源线连接可调节直流电源；变励磁直流电机通过电机输出线连接外接负荷电阻消耗系统的电能，滑动架通过滑动轴承与承力架的滑动轨道相连接；承力架挂钩通过拉力弹簧与滑动架上的挂钩相连接；振子通过传力板固定在滑动架上；进一步的，以上所述的电机输出线和他励电源线为普通铜线；滑动轨道为铝合金材料；滑动轴承、上部挂置架、承力架、滑动架、下部挂置架为钢材；挂钩为不锈钢。有益效果一种适用于流致振动试验的变阻尼装置，采用了变励磁直流电机和可调节直流电源相结合的形式，实现了系统中励磁的灵活变化。根据式(2)，通过调节直流电源的输出电压，改变系统中变励磁直流电机的磁感应强度。由式(3)可得，变励磁直流电机磁感应强度的变化可改变系统阻尼。上述过程实现了在高阻尼条件下，对系统阻尼的灵活调节，增强了系统阻尼调节的灵活性和试验系统的完整性。该装置经济性良好，各部分易于制作，安装方便，实用性很强；且结构原理简单清晰，同样适用于其他振动试验的阻尼调节，具有一定的普适性。相对于模拟形式的阻尼，可以从一定程度上提高物理试验的精确度。附图说明图1一种适用于流致振动试验的变阻尼装置及方法对应装置正视图；图2一种适用于流致振动试验的变阻尼装置及方法对应装置侧视图；图3为不同励磁电压试验下得出的总阻尼系数拟合图。下图中1、齿条；2、齿轮组；3、变励磁直流电机；4、电机输出线；5、外接负荷电阻；6、他励电源线；7、可调节直流电源；8、滑动架挂钩；9、承力架挂钩；10、拉力弹簧；11、滑动轨道；12、滑动轴承；13、振子；14、上部挂置架；15、承力架；16、滑动架；17、传力板；18、下部挂置架。具体实施方式一种适用于流致振动试验的变阻尼装置由齿条1、齿轮组2、变励磁直流电机3、电机输出线4、外接负荷电阻5、他励电源线6、可调节直流电源7构成。其中齿条1固定在滑动架16中部，齿条1和齿轮组2为45#钢淬火材料，电机输出线4和他励电源线6为普通铜线，外接负荷电阻5采用固定电阻器，可调节直流电源7采用可显示电压的可调节直流电源。齿条1和齿轮组2相连接，齿轮组2同时连接变励磁直流电机3，通过不同的试验要求选择不同的齿轮数量和直径配比。变励磁直流电机3通过电机输出线4连接外接负荷电阻5以及变励磁直流电机内阻形成回路，组成耗电系统。本试验通过调节可调节直流电源7的输出电压来控制系统阻尼变化，因此外接负荷电阻5采用固定电阻器。变励磁直流电机3通过他励电源线6与可调节直流电源7相连，通过控制可调节直流电源7的电压大小，改变变励磁直流电机3的励磁线圈磁感强度大小，进而控制系统的阻尼大小。滑动架16通过滑动轴承12与承力架15的滑动轨道11相连接，滑动轨道11可选择铝合金材料，滑动轴承12、承力架15和滑动架16可选用钢材；另外承力架挂钩9通过拉力弹簧10与滑动架挂钩8相连接，滑动架挂钩8和承力架挂钩9可选用不锈钢材料，上部挂置架14和下部挂置架18为钢材；振子13通过传力板17固定在滑动架16上。该实施例中：试验水槽高宽为1.5m×1.1m，最大水深1.4m，最大流速2m/s；齿条1长度为1.2m，宽度为5cm；齿轮组2选用3个齿轮，直径分别为4cm、6cm和3cm。变励磁直流电机3接入一个可调节直流电源7(电源的输入端为220V交流电压，可与普通插座进行连接；电源的输出端为可调直流电压输出，电压调节范围为0V～220V，与电机他励电源线6连接)。对于外接负荷电阻5，试验确定为RL＝155Ω。通过测试可知变励磁直流电机的内阻R0＝9.46Ω；滑动架挂钩8和承力架挂钩9以0.15m间隔布置；通过物理弹簧刚度变化方法，保证振动平衡位置的条件下，确定试验中的系统刚度为K＝2400N/m。滑动轨道11长0.9m，直径20mm；振子13为圆形截面，外径0.1m，厚度10mm，长度1m；上部挂置梁14与下部挂置梁18长度均为1.2m；承力架15整体宽度为1.2m，高0.9m；滑动架16高和宽为0.35m×1m；传力板17宽0.08m，长1.2m，厚6mm；系统的质量比m*为2.0。变励磁变阻尼原理：本申请通过在变励磁直流电机3上加装可调节直流电源7的方式，实现系统阻尼变化。通过改变直流电源的电压，从而改变变励磁直流电机3的磁感应强度，进而实现系统阻尼变化，具体满足下式：B＝LB·VB(2)式中：A——折合系数Ctotal——系统总阻尼；Cm——系统机械阻尼；α——系统转速比；R0——变励磁直流电机内阻；RL——外接负荷电阻；L——电机线圈长度；B——为磁感应强度。LB——电感VB——外接直流电源的供电电压实现变励磁变阻尼的操作方法：1、针对流致振动试验要求，确定齿条1的长度，齿条长度为1～2m，齿宽为3～8cm；齿轮组2的齿轮直径范围为2～10cm、齿轮数量3～5个配比；确定变励磁直流电机3型号进而选定可调节直流电源7的型号与电压变化范围；选取合适的外接负荷电阻5；确定拉力弹簧10的刚度；确定振子13的截面形状，如三棱柱、正四棱柱、六棱柱或者圆柱，同时确定振子13的尺寸；对承力架15、滑动架16的尺寸也要确定才能进而确定整个系统的质量参数，试验系统(各个参数)确定试验系统的机械阻尼系数Cm。2、通过自由衰减试验，得到式(3)中的机械阻尼系数Cm与折合系数A，总结励磁电压与总阻尼系数之间的相关规律，用于指导试验中阻尼的变化。3、根据试验要求调整励磁电压实现阻尼变化，完成试验。试验验证：基于自由衰减试验振子的时程曲线，得到了不同励磁电压下的自由衰减试验的结果，具体汇总于表1中，其中包含了外接可调节直流电压、系统的总阻尼数。根据励磁电压为零时系统的空载特性，得出系统的机械阻尼系数为Cm＝60.4N.s.m-1。图3绘制了不同励磁电压试验下得出的总阻尼系数Ctotal，并对试验结果进行了拟合。图3中，“红色实线”即为对应的拟合规律曲线，该曲线的具体表达式为：从图中可以看出，各励磁电压下试验结果与拟合曲线都十分接近，表明系统总阻尼系数Ctotal与励磁电压VB基本呈二次方的相关关系。由此，这一良好的拟合规律验证了式(4)的合理性。表1不同励磁电压下的自由衰减试验结果VB/VCtotal/N.S.m-10.060.43.062.46.066.49.069.212.074.415.079.118.087.621.093.524.0104.927.0114.730.0125.7当前第1页1 2 3